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二阶线性常微分方程的级数解法和广义傅立叶级数
本章首先在柱坐标和球坐标系对二维和三维泛定方程分离变量,导出著名的变系数常微分方程:贝塞尔方程和勒让德方程。
接着对常见的变系数线性微分方程进行分类,介绍了如何用幂级数解法和弗罗贝尼乌斯级数解法求解正则奇点的二阶常微分方程。
最后对常见的施图姆-刘维尔型微分方程的特征值和特征函数的性质作了系统的介绍。
本章的内容是第四章内容的继续和深入,也是以后几章特殊函数的基础,这些内容对了解数理方程有关键作用。;
二阶线性常微分方程的级数解法和广义傅立叶级数
§5.1贝塞尔方程与勒让德方程
§5.2二阶线性常微分方程的幂级数解法
§5.3二阶线性常微分方程的广义幂级数解法
§5.4常微分方程的边值问题;
§5.1.1贝塞尔方程的导出
§5.1.2勒让德方程的引入;
贝塞尔方程来自于柱坐标下的定解问题。
若一个物理问题是z方向无穷长的圆柱体,或者所求物体的物理性质在z方向都是相同的,而只与时间t和空间(x,y)有关,这就形成了柱坐标下的定解问题。;
=+,(x2+y2R2,t0)〈|三R)
仍然用分离变量法求解。设
u(x,y,t)=V(x,y)T(t)
式(5.1-4)代入式(5.1-1)得到
=V(,y)+=-入
式中入是一个常数。;
5.1.1贝塞尔方程的导出
上式是一个常微分方程和一个偏微分方程,它们分别是T,(t)+入T(t)=0
〈|(++入V=0,(x2+y2R2)|lV(x,y)x2+y2=R2=0
式(5.1-6)称为霍姆维兹方程。
(5.1-6)是圆域内的定解问题,将其换到极坐标系。设x=pcos9,y=psin9,有
〈|?p2+p?p+p2?92+入V=0|lVp=R=0
式中p为极径,9为极角。;
p+p+入p=-=山RRO
式中山为常数。上式是两个常微分方程,分别是
p2+p+(入p2-山)R=0(5.1-9)
O,,+山O=0;
〈|(+p内=0|l内(9)=内(9+2)
代入周期性边界条件后,设p=n2。特征函数,特征值是
〈|(内0(9)=,(n=0)
|l内(9)=ancosn9+bnsinn9,(n=1,2,…)
恳n2:n=0,1,2,3,…};
5.1.1贝塞尔方程的导出
将斤=n2代入式(5.1-9),得到
b2+b+(yb2-n2)R(b)=0(5.1-13)
作变量代换,令yb=r,则有R(b)=R(|(=F(r)。
式(5.1-13)可以写成r2+r+(r2-n2)F(r)=0
为了和常见的常微分方程形式上一致,令r=x,F=y,上式是
x2y+xy+(x2-n2)y=0,(x0)(5.1-14)
式(5.1-14)称之为n阶贝塞尔方程,是一个变系数二阶常微分方程。;
从式(5.1-5)可以解出T(t)=Ae-入t,
再用式(5.1-1)和(5.1-13),有
un(x,y,t)=Rr))|o(n9)T(入t)
u(x,y,t)=xR))|(ancosn9+bnsinn9)e-入t
从上式易见,u(x,y,t)的解最终取决于R))|,即贝塞尔方程(5.1-14)
的解。;
5.1.2勒让德方程的引入
勒让德方程来源于球坐标
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